开关电源 layout

如何做好开关电源设计最重要的一步?layout的巧妙设计方法!

2019-05-15
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印制电路板的制作


所有开关电源设计的非常重要的一步就是印制电路板(PCB)的线路设计。如果这部分设计不当,PCB也会使电源工作不稳定,发射出过量的电磁干扰(EMI)。设计者的作用就是在理解电路工作过程的基础上,保证PCB设计合理。


开关电源中,有些信号包含丰富的高频分量,因而任何一条PCB引线都可能成为天线。引线的长和宽影响它的电阻和电感量,进而关系到它们的频率响应。即使是传送直流信号的引线,也会从邻近的引线上引入RF(射频)信号,使电路发生故障,或者把这干扰信号再次辐射出去。所有传送交流信号的引线要尽可能短且宽。这意味着任何与多条功率线相连的功率器件要尽可能紧挨在一起,以减短连线长度。引线的长度直接与它的电感量和电阻量成比例,它的宽度则与电感量和电阻量成反比。引线长度就决定了其响应信号的波长,引线越长,它能接收和传送的干扰信号频率就越低,它所接收到的RF(射频)能量也越大。


主要电流环路


每一个开关电源内部都有四个电流环路,每个环路要与其他环路分开。由于它们对PCB布局的重要性,下面把它们列出来:


1功率开关管交流电流环路。

2输出整流器交流电流环路。

3输入电源电流环路。

4输出负载电流环路。


图1 a、b、c画出了三种主要开关电源拓扑的环路。 


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图1 在主要开关电源拓扑中主要的电流环路


a)无隔离Buck电路 b)无隔离Boost电路 c)变压器隔离变换器


通常输入电源和负载电流环路并没有什么问题。这两个环路上主要是在直流电流上叠加了一些小的交流电流分量。它们一般有专门的滤波器来阻止交流噪声进入周围的电路。输入和输出电流环路连接的位置只能是相应的输入 输出电容的接线端。输入环路通过近似直流的电流对输入电容充电,但它无法提供开关电源所需的脉冲电流。输入电容主要是起到高频能量存储器的作用。类似地,输出滤波电容存储来自输出整流器的高频能量,使输出负载环能以直流方式汲取能量。因此,输入和输出滤波电容接线端的放置很重要。如果输入或输出环与功率开关或整流环的连接没有直接接到电容的两端,交流能量就会从输入或输出滤波电容上流进流出,并通过输入和输出电流环“逃逸”到外面环境中。


功率开关和整流器的交流电流环路包含非常高的PWM开关电源典型的梯形电流波形。这些波形含有延展到远高于基本开关频率的谐波。这些交流电流的峰值有可能是连续输入或输出直流电流的2~5倍。典型的转换时间大约是50ns,因而这两个环路最有可能产生电磁干扰(EMI)。


在电源PCB制作中,这些交流电流环路的布线要在其他引线之前布好。每个环路由三个主要器件组成:滤波电容、功率开关管或整流器、电感或变压器。它们的放置要尽可能靠近。这些器件的方向也要确定好,以使它们之间的电流通路尽可能短。图2就是关于Buck(或降压)变换器功率部分布局的一个很好的例子。 


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图2 比较理想的Buck电路布置方案


这些电流环路的布线,对变换器效率测量也会产生影响。如果这些引线上的电压降比较大,变换器效率就显得比较低,这是因为它工作时的电压降低了(因而电流要增大)。但是,如果用数字电压表(DVM)或仪器来测量效率,输入电压端上测得的值比它实际的大,从而得出一个错误的比较大的Ⅵ乘积结果。


开关电源内部的接地


电源地代表的是上面介绍的电流环路底下的支路。电源地作为电路的共同电位参考点,在电路中起着非常重要的作用,因而在布置PCB的时候,电源地的安排要十分小心。把这些地混淆的话,会引起电源工作不稳定。


另外,要考虑的一个地是连接控制集成电路和与之相关的无源器件的地,即控制地。这个地非常敏感,因而要在其他的交流电流环路都布置好后再放置。控制地与其他地要通过一些特定的点连接,总的来说,这个连接点是产生控制IC所要检测的小电压的所有器件的公共连接点。它包括电流型变换器电流检测电阻的公共接点和输出端电阻分压器的下端。这样的目的是减小检测部分与电压误差或电流放大器敏感的输入端之间的连接而引入的噪声。如果控制地接到其他位置,主电路那些环路产生的噪声会加到控制信号上,影响控制IC的正常工作。


主要变换拓扑的地线安排见图3。 


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图3 主要变换拓扑的底线安排


a)无隔离DC-DC变换器 b)无隔离变压器耦合变换器 c)隔离变压器耦合变换器


每条大电流的地线要短而宽。作为一般的规则,除控制地外,输入滤波电容的公共端应作为其他交流电流地的唯一接点。


交流电压节点


每个开关电源中都有一个交流电压最大的节点,这个节点就是功率开关漏极(或集电极)。无隔离DC-DC变换器中,这个节点与电感和续流二极管相连。变压器隔离拓扑中,变压器有多少个绕组,就有多少个交流节点。但从电气上看,它们代表同一个节点,只是经变压器映射成这么多节点。对每一个交流节点都要单独进行仔细考虑。


交流节点会引起特有的问题,交流电压在发射EMI的同时,很容易通过电容方式耦合到不同层上邻近的引线上。更为不利的是,这部分引线要作为功率开关管和整流器的散热部分,特别是在表面贴装的电源中。从电气上考虑,要求这些引线越窄越好,但从热方面考虑,要越宽越好。表面贴片设计中,比较好的折中方法是:让PCB顶层和底层一样,将它们通过一些过孔(或通孔)连接,见图4。 


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图4 增强PCB表面散热能力和减小容性耦合到其他PCB引线上去的比较好的布线方法


这种方法可以使散热体积和表面面积增大两倍多,并大大减小与其他引线之间的容性耦合。使用过孔时,其他的信号和地要与这些高压引线和它的散热部分隔开。离线式变换器中,大地的地会通过散热器(用绝缘体与漏极隔开)从这些节点获取能量,并通过交流电源插头从产品中流走。


滤波电容的并联


为了减小滤波电容的等效串联电阻(ESR),经常用多个电容并联。同时,这样也可以把纹波电流分摊到每个电容上,使每个电容工作在额定的纹波电流下。要把纹波电流平均分布,就要使每个电容与纹波电流源的引线阻抗一样。这就意味着整流器或功率开关管与每个电容端的连线长度和宽度都要一样。


图5 a所示的是把电容排成一行,依次把它们连接起来的方法,使靠近功率开关管或整流器的电容分到的纹波电流远多于相距较远的电容分到的纹波电流,这会缩短距离较近的电容的寿命。图5b所示的并联电容的连接方法就比较合理。 



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图5 并联电容的布置


a)并联电容不合理的布置方法 b)并联电容比较理想的布置方法


设计者要尽量在环路的两边,让电容从纹波电流源开始呈“放射性对称布置”。


开关电源PCB制作的最佳方法


开关电源布置的最佳方法与它的电气设计类似。最佳设计流程如下:


1放置变压器或电感。

2布置功率开关管电流环路。

3布置输出整流器电流环路。

4把控制电路与交流功率电路连接。

5布置输入环路和输入滤波器。

6布置输出负载环路和输出滤波器。


有个比较好的规则是把PCB尽可能敷铜,也就是要使PCB没有大的空白区域。为了把空白区域填满,可以把地线和电源线加粗。这样做有两个好处:第一,改善变换器散热条件;第二,大面积的铜可以捕获射频能量,并通过涡流方式很好地消耗掉。


当然,电源通常是安排到最后来放置的,所以放置的空间很小,位置也不理想,所以没有必要严格地按上面的流程设计PCB,每位设计者应在掌握电气面的重要部分的基础上,做出自己最好的设计。


来自嵌入式ARM.png

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